FR2890685A1 - Pilotage de jeu au sommet d'aubes de rotor de turbine haute pression dans une turbomachine - Google Patents

Abstract

Le jeu (18) entre des sommets d'aubes mobiles (16) d'un rotor de turbine haute-pression d'une turbomachine et un anneau de turbine (22) d'un carter externe entourant les aubes est augmenté par accroissement du diamètre interne de l'anneau de turbine de façon temporaire, lorsque la turbomachine fonctionne au ralenti, en anticipation d'une diminution de ce jeu lors d'une phase subséquente d'accélération, afin d'éviter ou de minimiser l'usure en sommets d'aubes par venue en contact avec l'anneau de turbine suite à cette accélération. L'augmentation de jeu est réalisée par chauffage du carter externe, notamment par alimentation en courant électrique d'au moins un circuit résistif (30) porté par le carter externe.

Description

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Arrière-plan de l'invention L'invention se rapporte aux turbines haute pression de turbomachines, notamment de moteurs à turbine à gaz, et plus précisément au pilotage du jeu entre les sommets d'aubes mobiles d'un rotor de turbine haute-pression et un anneau de turbine d'un carter externe fixe entourant les aubes.

Dans une turbine haute-pression, le jeu radial en sommet d'aube mobile est un paramètre important influant sur la performance de la turbomachine. Plus le jeu est faible en fonctionnement, plus la performance de la turbine est élevée.

Les jeux en sommet d'aube sont dépendants des différences des variations dimensionnelles entre les parties tournantes: disque et aubes formant le rotor de turbine, et les parties fixes: carter de turbine, dont l'anneau, ou plus précisément les segments d'anneaux de turbine, qu'il comprend. Ces variations dimensionnelles sont d'origine thermique et liées aux variations de température des aubes, du disque et du carter, et d'origine mécanique, notamment sous l'effet de la force centrifuge s'exerçant sur le disque et les aubes et des pressions s'exerçant sur les parties fixes et tournantes.

Afin de limiter l'endommagement des sommets d'aubes par venue en contact de celles-ci à leurs sommets avec l'anneau de turbine, ce dernier est muni d'une couche de matériau abradable sur sa face tournée vers les aubes. L'usure des aubes au sommet est alors limitée, les sommets d'aubes creusant un sillon dans le matériau abradable, mais n'est pas totalement éliminée.

En l'absence de pilotage actif du jeu en sommet d'aubes, le jeu est réglé à une valeur telle que l'usure maximale des aubes pendant la vie du moteur reste dans une limite acceptable. Cette usure est fonction de la consommation de jeu maximale. Par consommation de jeu, on entend ici la différence entre les variations dimensionnelles radiales des aubes et de l'anneau de turbine. On va donc régler le jeu en fonction de la 2890685 2 consommation de jeu maximale pouvant se produire pendant l'exploitation de la turbomachine.

Des systèmes de pilotage de jeu sont bien connus qui ont pour but de limiter le jeu autant que possible afin d'optimiser la performance de la turbine. Ils fonctionnent généralement en dirigeant vers la surface externe de l'anneau de turbine ou de la partie de carter qui le supporte de l'air de refroidissement prélevé au niveau d'un compresseur et/ou d'une soufflante de la turbomachine. Ces systèmes de pilotage de jeu, qui sont contrôlés par exemple par un système de régulation à pleine autorité (ou FADEC) de la turbomachine, sont généralement complexes.

Il existe une situation conduisant à une consommation de jeu très importante, à savoir le passage d'une phase de fonctionnement au ralenti de la turbomachine à une phase ultérieure d'accélération rapide, et plus particulièrement lorsque la phase de ralenti succède à une phase de fonctionnement à plein régime.

En effet, au passage de plein régime à ralenti s'accompagnant d'une diminution de température, les variations dimensionnelles radiales des parties tournantes à partir de la situation à plein régime sont lentes en raison de l'inertie thermique du disque de rotor qui a une masse importante. Par contre, le carter, moins massif, a une variation dimensionnelle plus rapide et parvient assez vite dans une situation stabilisée au ralenti. Le jeu au sommet d'aubes est donc faible. En cas alors d'une re-accélération de la turbomachine vers le plein régime, la variation dimensionnelle radiale résultant de la force centrifuge appliquée aux parties tournantes est immédiate et précède la variation dimensionnelle radiale du carter due à l'élévation de température. Il en résulte une surconsommation transitoire importante du jeu avant stabilisation dimensionnelle du carter et des parties tournantes. Cela est illustré par la figure 1 où les courbes A, B et C montrent respectivement la variation de régime de fonctionnement d'une turbomachine de ralenti à plein régime, la variation dimensionnelle de l'anneau de turbine et la variation dimensionnelle en sommet d'aube, la différence E entre les courbes B et C représentant la consommation (ou variation) de jeu. On observe effectivement un pic de consommation de jeu peu après le passage en plein régime.

Une solution ne peut être apportée à ce problème par pilotage de jeu par impact d'air de refroidissement sur l'anneau de la turbine.

Dans le cas où il n'y a pas de pilotage actif du jeu en sommet d'aube, un réglage du jeu de manière à éviter en toutes circonstances un contact entre sommets d'aubes et anneau de turbine ne peut être envisagé car cela conduirait à une valeur de jeu trop importante en régime stabilisé, pénalisant la performance de la turbine. Une usure des sommets d'aubes en cas de sur-consommation du jeu doit alors être acceptée.

Objet et résumé de l'invention L'invention a pour but d'apporter une solution au problème précité lié à la sur-consommation du jeu au sommet d'aube au passage d'un mode ralenti à un mode plein régime.

Ce but est atteint grâce à un procédé de pilotage de jeu entre des sommets d'aubes mobiles d'un rotor de turbine haute-pression d'une turbomachine et un anneau de turbine d'un carter externe entourant les aubes, procédé selon lequel, conformément à l'invention, le jeu est augmenté par accroissement du diamètre interne de l'anneau de turbine de façon temporaire, lorsque la turbomachine fonctionne au ralenti, en anticipation d'une diminution de ce jeu lors d'une phase subséquente d'accélération, afin d'éviter ou de minimiser l'usure en sommets d'aubes par venue en contact avec l'anneau de turbine suite à cette accélération.

L'augmentation de jeu est avantageusement réalisée par chauffage, notamment par chauffage par application d'énergie électrique.

Le chauffage peut être effectué par alimentation en courant électrique d'au moins un circuit résistif porté par le carter externe ou par couplage inductif avec le carter externe ou au moins un induit porté par celui-ci.

L'invention vise aussi un système de pilotage de jeu entre des sommets d'aubes mobiles d'un rotor de turbine haute-pression d'une turbomachine et un anneau de turbine d'un carter externe entourant les aubes, système comprenant un dispositif apte à provoquer une augmentation du jeu par accroissement du diamètre interne de l'anneau de turbine et un circuit apte à commander le fonctionnement temporaire dudit dispositif lorsque la turbomachine fonctionne au ralenti, et à interrompre le fonctionnement dudit dispositif en cas d'accélération de la turbomachine après une phase de ralenti.

Le dispositif de chauffage peut être électrique, notamment résistif ou inductif.

Selon un mode particulier de réalisation, l'énergie électrique nécessaire au fonctionnement du dispositif de chauffage est fournie par un générateur couplé au rotor de turbine.

L'invention vise encore une turbomachine munie d'un système de pilotage de jeu tel que défini ci-avant, en particulier un moteur à turbine à gaz. Dans ce dernier cas, le circuit apte à commander le fonctionnement du dispositif d'augmentation de jeu est incorporé avantageusement dans un système de régulation à pleine autorité (FADEC) du moteur.

Brève description des dessins

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description faite ciaprès, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1, déjà décrite, montre des courbes illustrant respectivement une variante de régime de fonctionnement et les variations correspondantes de dimension radiale de stator et de dimension radiale de rotor dans une turbine haute pression de turbomachine; - la figure 2 est une vue schématique partielle en coupe d'une turbine hautepression d'un moteur à turbine à gaz selon un mode de réalisation de l'invention; - la figure 3 est une vue schématique de détail en perspective d'une partie de carter de la turbine de la figure 2; - la figure 4 est un schéma d'un circuit de commande du fonctionnement d'un dispositif de chauffage associé au carter de la turbine haute-pression de la figure 2; et - la figure 5 est une vue schématique partielle en coupe d'une turbine haute-pression d'un moteur à turbine à gaz selon un autre mode de réalisation de l'invention.

2890685 5 Description détaillée de modes de réalisation de l'invention Des modes de réalisation de l'invention seront décrits ci-après dans le cadre de son application à une turbine haute-pression d'un moteur à turbine à gaz pour avion. Toutefois, l'invention est applicable à d'autres types de turbomachines, notamment des turbines industrielles.

Comme cela est bien connu, dans un moteur à turbine à gaz, la turbine haute-pression reçoit des gaz de combustion issus d'une chambre de combustion par l'intermédiaire d'un distributeur de turbine et fournit ces gaz à une turbine basse-pression avant éjection. La turbine hautepression est montée sur un arbre auquel est couplé un rotor de compresseur haute-pression alimentant la chambre de combustion en air sous pression tandis que la turbine basse-pression est montée sur un arbre auquel est couplée une soufflante située en entrée du moteur.

Comme montré sur la figure 2, la turbine haute-pression comporte un rotor de turbine 10 couplé à un arbre 12 ayant pour axe X-X l'axe du moteur. Le rotor 10 comprend un disque 14 couplé à l'arbre 12 par des moyens mécaniques non représentés, et une pluralité d'aubes mobiles 16 qui s'étendent radialement à partir du disque 14 et sont montées sur ce dernier.

Le rotor 10 est entouré par un carter de turbine 20 comprenant un anneau de turbine 22 porté par un carter externe de turbine 24, lui-même fixé à une enveloppe externe 26 par des brides 24a, 26a reliées l'une à l'autre.

L'anneau de turbine 22 est formé d'une pluralité de secteurs ou segments adjacents. Du côté interne, l'anneau 22 est muni d'une couche 22a de matériau abradable et entoure les aubes 16 en ménageant avec les sommets 26a de celles-ci un jeu 18.

Les secteurs de l'anneau 22 sont supportés par une partie annulaire 28 du carter externe 24 ayant une section sensiblement en U, avec deux ailes radiales 28a, 281) dirigées vers l'axe X-X et un fond 28ç. A leurs extrémités, les ailes 28a, 28b sont munies de rebords permettant le montage des secteurs d'anneau, de façon connue en soi.

Conformément à l'invention, le carter de turbine 20 est muni d'un dispositif permettant, de façon commandée, d'accroître le diamètre interne de l'anneau de turbine 22.

2890685 6 Dans l'exemple illustré par les figures 2 et 3, l'accroissement du diamètre interne de l'anneau de turbine est réalisé par dilatation thermique grâce à un circuit chauffant 30 de type résistif associé au carter externe de turbine 20. Le circuit 30 est par exemple sous forme d'une nappe avec un ou plusieurs conducteurs 32 noyés dans une couche isolante 34. Par souci de commodité et d'efficacité, la nappe résistive 30 est fixée sur le carter externe 24 du côté extérieur de la partie 28 supportant les secteurs d'anneau de turbine. Comme le montrent les figures 2 et 3, la nappe résistive 30 recouvre la face externe du fond 28ç ainsi que les faces en regard de deux ailes de rigidification 28d, 28e qui font saillie radialement vers l'extérieur à partir du fond 28ç, dans le prolongement des ailes 28a, 28b. D'autres emplacements pourraient être adoptés pour le circuit 30, mais de préférence au regard de l'anneau de turbine et dans une partie non proche des zones les plus chaudes.

Le circuit 30 est alimenté par du courant électrique produit par un alternateur couplé à l'arbre 12 du rotor 10, alternateur fournissant une puissance électrique à l'avion. La liaison électrique est réalisée par un conducteur (non représenté) traversant l'enveloppe externe 26. Comme le montre schématiquement la figure 4, un circuit interrupteur commandé 32 est interposé entre l'alternateur 34 et le circuit résistif 30. La commande de l'interrupteur 32 est assurée par des signaux de commande produits par le système de régulation à pleine autorité, ou FADEC 36 du moteur.

Le FADEC 36 est programmé pour commander la fermeture de l'interrupteur 32 lorsque le régime de fonctionnement du moteur est le ralenti et pour commander l'ouverture de l'interrupteur 32 en réponse au passage au plein régime.

Ainsi, pendant les phases de fonctionnement au ralenti, on maintient, par l'alimentation électrique du circuit 30, un jeu 18 accru aux sommets des aubes. La dégradation de performance du moteur qui en résulte n'est pas pénalisante pendant une telle phase de ralenti. On dispose ainsi d'une marge plus importante de jeu susceptible d'être consommée au passage à plein régime sous l'effet de la force centrifuge agissant immédiatement sur les aubes. L'usure aux sommets d'aubes est par conséquent minimisée.

Le circuit 30 peut être réalisé en une seule partie, ou en plusieurs parties (ou nappes) juxtaposées alimentées électriquement en série ou en parallèle.

La figure 5 illustre une variante de réalisation dans laquelle le chauffage est produit par couplage inductif. Un inducteur 40, constitué par un ou plusieurs bobinages 42 noyés dans un isolant 44 est associée au carter externe de turbine 24 pour pouvoir coupler inductivement avec la partie 28 de celui-ci ou au moins une partie de cette dernière. En cas de couplage inductif direct insuffisant avec le matériau du carter externe 24, on pourra associer à celui-ci un élément formant inducteur, par exemple fixé du côté extérieur de la partie 28 de support des secteurs d'anneau.

Claims (13)

REVENDICATIONS

1. Procédé de pilotage de jeu (18) entre des sommets d'aubes mobiles (16) d'un rotor de turbine haute-pression d'une turbomachine et un anneau de turbine (22) d'un carter externe entourant les aubes, caractérisé en ce que le jeu est augmenté par accroissement du diamètre interne de l'anneau de turbine de façon temporaire, lorsque la turbomachine fonctionne au ralenti, en anticipation d'une diminution de ce jeu lors d'une phase subséquente d'accélération, afin d'éviter ou de minimiser l'usure en sommets d'aubes par venue en contact avec l'anneau de turbine suite à cette accélération.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'augmentation de jeu est réalisée par chauffage du carter externe.

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le chauffage est produit par application d'énergie électrique.

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le chauffage est réalisé par alimentation en courant électrique d'au moins un circuit résistif (30) porté par le carter externe.

5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le chauffage est réalisé par couplage inductif entre un inducteur (40) et le carter externe ou au moins un induit porté par celui-ci.

6. Système de pilotage de jeu (18) entre des sommets d'aubes mobiles (16) d'un rotor de turbine haute-pression d'une turbomachine et un anneau de turbine (22) d'un carter externe entourant les aubes, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif (30; 40) apte à provoquer une augmentation du jeu par accroissement du diamètre interne de l'anneau de turbine (22), et un circuit apte à commander le fonctionnement temporaire dudit dispositif lorsque la turbomachine fonctionne au ralenti et à interrompre le fonctionnement dudit dispositif en cas d'accélération de la turbomachine après une phase de ralenti.

7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit dispositif apte à provoquer une augmentation du jeu est un dispositif de chauffage (30; 40) du carter externe.

8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif de chauffage (30; 40) est de type électrique.

9. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un circuit résistif (30) porté par le carter externe.

10. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un inducteur (40) couplé avec le carter externe ou un induit porté par celui-ci.

11. Système selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que l'énergie électrique nécessaire au fonctionnement du dispositif de chauffage est fournie par un générateur (34) couplé au rotor de turbine.

12. Turbomachine équipée d'un système de pilotage de jeu selon l'une quelconque des revendications 6 à 11.

13. Turbomachine selon la revendication 12 constituant un moteur à turbine à gaz équipé d'un système (36) de régulation moteur à pleine autorité (FADEC) caractérisé en ce que ledit circuit apte à commander le fonctionnement du dispositif est incorporé au FADEC. 25 30